1. Modelo del proceso de Fangos Activados.

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1 1. Modelo del proceso de Fangos Activados.

2 Los modelos matemáticos son importantes no sólo para optimizar el diseño, sino también para mejorar la operación y el control de estos procesos biológicos en plantas de tratamiento de aguas residuales. Diversos modelos matemáticos para la representación del proceso de fangos activados se han desarrollado a lo largo del tiempo. Los modelos más utilizados para le representación de los fangos activados son los desarrollado por la IWA (International Association on Water). El modelo ASM1 (Activated Sludge Model No.1) es considerado como el modelo de referencia, ya que este modelo provocó la aceptación general de planta de tratamiento de aguas residuales primero en la comunidad de investigación y más tarde en la industria. El ASM1 fue desarrollado para describir la eliminación de los componentes de carbón orgánico y el nitrógeno, con consumo simultáneo de oxígeno y nitrato como aceptadores de electrones. El modelo además hace una buena descripción de la producción de fango. Este modelo sirvió de base para desarrollar el ASM2 y ASM3. La eliminación biológica de fósforo se comenzó a desarrollar en ASM2 mientras que en el ASM3 se desarrolla para eliminar el nitrógeno de las aguas residuales con los mismos objetivos que en el ASM1. El ASM2 y el ASM3 sirvieron para corregir los errores que han aparecidos durante el uso del ASM1 y también han servido de base para el desarrollo de modelos reducidos para aplicaciones donde es necesaria mayor facilidad de cómputo. Por otro lado a partir de 1998 a 2004 se desarrolló la herramienta Benchmark (BSM1) a base de la simulación de las estrategias de control para la plantas de fangos activados. Esta herramienta ha sido emprendida en Europa por el grupo COST ACTION 682 y La estructura del BMS1 es relativamente simple, está compuesta por 5 reactores biológicos, dos de los reactores son anaeróbicos y los otros tres son aeróbicos. En dichos reactores se llevan a cabo los procesos de nitrificación y desnitrificación. Seguido de los reactores de fangos activados, se encuentra un decantador. La estrategia de control tiene como objetivo poder controlar los niveles de oxigeno disuelto presente en el ultimo reactor por la manipulación de coeficiente de transferencia de oxigeno y Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 2

3 controlar los niveles de nitrato en el ultimo tanque aeróbico por la manipulación del caudal de recirculación [1]. En la Figura 2.3 se muestra una representación del BSM1 con sus estrategias de control. Fig. 2.1 :Esquema del Bechmark (BSM1) El proceso BSM1 consta de trece variables por cada reactor, las cuales permiten rastrear el destino de material biodegradable y no biodegradable. En la Tabla 2.1 se enumeran las variables presentes en el proceso. Variable S I S S X I X S X B,H X B,A X P S O S NO S NH S ND Descripción Solución de materia orgánica inerte Sustrato rápidamente biodegradable Partícula de materia orgánica inerte Sustrato lentamente biodegradable Biomasa heterófica activa Biomasa autotrofa activa Partícula de productos que provienen de decaimiento de biomasa Oxigeno Nitrato y nitrito de nitrógeno NH4+ + NH3 nitrógeno Nitrógeno orgánico soluble biodegradable Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 3

4 X ND S ALK Partícula biodegradable de nitrógeno orgánico Alcalinidad Tabla. 2.1 :Variables del proceso BSM1. La herramienta Benchmark modelada con el ASM1, resulta una herramienta muy compleja para ilustrar la metodología de diseño integrado propuesta como objetivo principal en esta investigación. Por esta razón se ha empleado el modelo simplificado del BSM1, utilizado [2], donde, se considera solamente las variables más influyentes del proceso sobre una escala de tiempo media, mientras que los procesos más lentos, generalmente los relacionados con compuestos insolubles como la hidrólisis y la amonificación del nitrógeno orgánico no se consideran y finalmente se supone que la biomasa heterótrofa y autótrofa no varía, por lo que el número de estados en cada reactor se reduce de 13 a 4. Estas simplificaciones permiten el uso de las leyes de control usadas en el modelo BSM1. En esta simplificación del BSM1, el sistema completo se aproxima a un reactor anóxico y uno aeróbico, con un volumen equivalente al volumen total del los compartimientos anóxicos y aeróbicos del Benchmark. Se supone el proceso de desnitrificación sólo tiene lugar en el tanque anóxico y el proceso de nitrificación ocurre únicamente en el tanque aireado. El decantador se aproxima a un punto de mezcla y no se considera el reflujo externo. Fig. 2.2 :Modelo simplificado del ASM1 A continuación de describen las variables que describen el modelo: Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 4

5 Balance en el reactor anóxico Balance en el reactor aeróbico En la práctica se mide generalmente los nitrógenos inorgánicos totales presente en el efluente en vez del contenido de nitratos S NO (2) como Y su modelo se describe por la siguiente ecuación diferencial: En los reactores se lleva a cabo cinco procesos biológicos diferentes, descritos por las siguientes ecuaciones, Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 5

6 Como se puede apreciar en las diferentes ecuaciones, intervienen las siguientes variables de estado, S S, sustrato soluble rápidamente biodegradable, S NO, solubilidad del nitrato de nitrógeno, S NH, solubilidad del nitrógeno, S O, oxigeno disuelto, S Ntot, nitrógenos inorgánicos totales. El termino Q i hace referencia al caudal de entrada, mientras que Q es el caudal de recirculación. El índice 1 está referido al tanque anóxico y el índice 2 al tanque aérobico. En la Tabla 2.2, 2.3 y 2.4 se definen los parámetros cinéticos, los parámetros del reactor y las características del influente. Dichas constantes poseen el mismo valor que en el modelo BSM1 dado que el modelo en estudio es una simplificación del BSM1. Parámetro Valor Unidad Y A 0.24 g cell COD formed (g N oxidized) -1 Y H 0.67 g cell COD formed (g COD oxidized) -1 i xb 0.08 gn g(cod) -1 en la biomasa 4.0 d d -1 K S 10.0 gcod m -3 Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 6

7 K OH 0.2 g(-cod) m -3 K OA 0.4 gcod m -3 K NO 0.5 gno 3 -N m -3 K NH 1 gnh 3 -N m -3 n g 0.8 x bh 2500 g(-cod) m -3 x ba 150 g(-cod) m -3 S Osat 8 g m -3 Tabla 2.2 : Valores de los parámetros. Parámetro Valor Unidad V m 3 V m 3-1 Q i m -3 h -1 Q W 16 m -3 h Tabla 2.3 : Volumen del reactor y caudal de entrada. Parámetro Valor Unidad SS,in gcod m -3 SNH,in gn m -3 SNO,in 0 gn m -3 SO,in 0 g(-cod) m -3 Si,in 30 gcod m -3 Xi,in 51.2 gcod m -33 XS,in gcod m -3 Xba,in 0 gcod m -3 Xbh,in gcod m -3 Snd,in 6.95 gn m -3 Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 7

8 Xnd,in gn m -3 Salk 7 mol m -3 Xp,in 0 gcod m -3 Tabla 2.4 : Características del influente Restricciones del proceso. Para lograr el funcionamiento eficiente del proceso de fangos activados es necesario definir ciertas restricciones de operación, tales como: La aireación de los tanques: Como La solubilidad del oxígeno en agua es tan pequeña (8-9 mgo2/l) es necesario asegurar el suministro de oxígeno a los microorganismos utilizando aireadores superficiales o difusores. La carga másica: Es también conocida como la relación A/M. Se refiere a la relación entre la masa de materia orgánica alimentada al bioreactor por unidad de tiempo y la cantidad de microorganismos disponibles en el sistema. La edad de los fangos es un parámetro que mide el tiempo medio que deben permanecer los fangos en el decantador. Esta magnitud suele tener un valor de 9-15 días en condiciones convencionales de operación (Ingildsen, 2002). El tiempo de retención celular es el tiempo de permanencia del agua a tratar en los reactores para que se efectúen las reacciones, el cual debe estar entre 2 y 5 horas aproximadamente. Restricciones sobre las relaciones entre los caudales del proceso que dependen de la legislación ambiental, la cual también impone que la capacidad hidráulica de los decantadores sea inferior a 1.5m3/m2.h (Gutiérrez, 2000). En la Tabla 2.5 se presentan los límites para las restricciones anteriormente. Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 8

9 Variable Valor Oxigeno disuelto sección aeróbica (DO n ) Oxigeno disuelto sección anóxica (DO d ) Edad de los Fangos (SA) Carga Másica (A/M) Nitritos y nitratos sección anóxica (S NO d ) Tabla 2.5 : Limites sobre las restricciones de operación. Calidad del agua, La calidad del agua a ser descargada es el objetivo de la operación y determina la eficiencia del proceso. Esta depende de la legislación regional y se mide en función de los límites que deben cumplir los parámetros característicos del efluente. En [1], encontramos los estándares europeos, los límites de los principales parámetros que controla la calidad del efluente, los cuales se muestran en la Tabla 2.6. Componente Valor Nitrato total N t Demanda química de Oxigeno (COD) Amonio (SNH) Producción total de fangos (TSS) Tabla 2.6 : Límites de los principales parámetros que controlan la calidad del efluente según el estándar europeo. En la siguiente tabla se establecen los criterios para la calidad del efluente, Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 9

10 Componente Valor NH NH 3 Concentración de nitrógeno totales (N tot ) Fósforos totales (P) Tabla 2.7 : Criterio para la calidad del efluente. Dado que las variables definidas en el ASM1 son los principales componentes que intervienen en el proceso, pero no siempre pueden ser medidas en aplicaciones prácticas, es por eso que la calidad del efluente y otras características del proceso se expresan en función de ciertas variables compuestas, tales como: Demanda química de oxigeno COD Nitrógeno total Nt Producción total de fangos TSS 3.2. Índices de Desempeño. Finalmente el desempeño dinámico del proceso de fangos activados está directamente relacionado con los costes de operación. En la plataforma Benchmark se presentan algunos índices de desempeño, para un periodo de operación T. La energía de bombeo (PE) depende los flujos de recirculación y de purga en el sistema, los cuales pueden variar debido a las acciones de control: Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 10

11 Donde, los caudales están expresados en m 3 /días. La energía de aireación (AE) depende del equipo utilizado, la ubicación de los difusores y el tamaño de las burbujas. En el BSM1 se presenta la siguiente relación obtenida para un equipo particular. Donde, KLA, esta expresado en 1/días. La calidad del efluente (EQ) es la suma ponderada de las cargas en el efluente de los compuestos con mayor efecto sobre la calidad del agua. Este índice se usa para determinar la penalización económica por las descargas fuera de especificación Donde, las concentraciones están expresadas en g/m 3 y el caudal en m 3 /d. La calidad del afluente (IQ), marca la calidad del efluente de entrada, el cual para el caso que nos ocupa será constante para todas la simulaciones que se mostraran en los capítulos posteriores. Este índice se define como, con, Dto. de Ingeniería automática y sistemas. 11

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